金属半固态成形综述

1、 题 目 ： 半固态制备双金属复合材料综述 学生姓名 ： ） 学 号 ： 学 院 ： 材料科学与工程学院 专 业 ： 材料成型 摘 要 本文简述了半固态加工技术的优点、工艺分类、坯料的制备及半固态加工技术与双金属材料的应用前景。关键词 半固态加工技术，坯料制备，双金属材料，应用前景二十世纪七十年代初期，麻省理工学院的MCFlemings教授与David Spencer博士提出了一种新的加工技术，即半固态加工技术(SemiSolid Metal Processing，简称ssP)。SSP技术采用了非枝晶半固态浆料，与传统的枝晶凝固模式相比，有着许多独特的优点，如变形抗力小；可以成形具有复杂外形的

2、零部件；结晶潜热低，对模具的热冲击较小；所制备的零件组织均匀，气孔缩孔少；而且，是一种净成形加工技术，所得零件具有很好的表面质量，减少了材料的浪费，缩短了生产周期，从而大大的节约了生产成本等等1.半固态加工技术是一种具有良好发展前景的技术l。在其加工过程中所使用的浆料是一种固液混合浆料，即液态金属母液中均匀悬浮着一定的球状初生固相的浆料。有着这种组织的半固态浆料具备良好的触变性能及流变性能，并表现出假塑性行为，因此，半固态浆料在成形过程中既可以像固体一样被移动，在受到剪切力的作用时又可以像液体一样流动。半固态加工技术可以成形有着复杂形状的零部件。与传统的铸造所得零件相比，半固态加工所制备的零件

3、的质量更好；而与传统的锻造相比，其成本也更低。因此，很多SSP技术都取得了很大的发剧，如流变铸造，触变铸造，触变锻造，应变诱发熔化激活触变锻压，触变注射成形，流变注射成形，新型流变注射成形等。目前，半固态加工技术已经被广泛地应用于许多的工程材料，如汽车工业用铝合金2和镁合金，航空领域所用的金属基复合材料(MMC)，模具行业所需的钢铁材料。除了这些传统材料的应用外，半固态加工技术还可用于制备一些新型材料，如功能梯度材料，玻璃金属连接产品。半固态加工技术的应用还可以延伸到焊接领域3一、 半固态加工技术的工艺分类半固态加工技术通常分为两种成形方法4。在金属凝固的过程中，对金属施以剧烈的搅拌作用，以充

4、分破碎树枝状的初生固相，从而可以获得一种在液态金属母液中均匀悬浮着一定的球状初生固相的固液混合浆料(即流变浆料)，利用流变浆料直接进行成形加工的方法就是半固态金属的流变成形(Rheoforming)；如果将流变浆料凝固成坯锭，按需要将此金属坯锭切成一定的大小，然后重新加热到半固态温度区间进行成形加工，这种方法称为触变成形(Thixoforming)。流变成形包括流变压铸、流变注射成形及流变锻造。由于流变压铸过程中，直接获得的半固态金属浆液不方便保存和输送，难以工业化。英国布鲁内尔大学的ZFan等人将半固态金属流变铸造与塑料注射成形结合起来，开发了一种双螺旋半固态流变注射成形技术5。而对于流变锻

5、造，现在研究较少，它与液态模锻过程基本一样，将制备好了的半固态浆料，不经冷却，直接放入模具内，进行半固态锻造。而与流变成形相比较，触变成形法更为实际可行，它解决了半固态金属浆料制备与成形设备相衔接的问题。由于半固态金属及合金坯料的加热、输送很方便，并易于实现自动化操作，因此，触变成形更加适合于工业化生产，目前，它已被广泛地投入到商业化生产中。半固态金属的触变成形可以分为以下几类4：触变压铸(Thixodie-casting)，其成形设备采用压铸机；触变锻造(Thixoforging)，其成形设备采用模锻机；触变注射成形(Thixomoulding)，其成形设备采用专用的Thixomouldin

6、g机。二、 半固态金属坯料的制备半固态金属浆料的制备是金属半固态成形的基础，目前为止，人们普遍所采用的半固态金属材料制备方法是：在金属凝固的过程中，对熔融态的金属施加剧烈的搅拌作用，使得树枝状的晶粒破碎，变为近球状的晶粒。主要包括机械搅拌法1，电磁搅拌法1、喷射成形法4、应变诱发熔化激活法1，4等等，目前商业上比较实用的方法是电磁搅拌法和应变诱发熔化激活法。电磁搅拌(Electromagnetic Stirring，简称EMs)是借助电磁力强化铸坯内未凝固金属溶液的流动，从而改变凝固过程的流动、传热和传质，达到晶粒细化、改善铸坯质量的目的6。电磁搅拌具有以下特点：a)非接触性。借助电磁感应实现

7、能量的无接触转换，因而不与金属溶液接触就能将电磁能直接转换成金属溶液的动能。b)可控制性。由于感应线圈激发的磁场可以通过调节感应电流来进行人为的控制，进而实现电磁力的人为控制，因此可以人为地控制金属溶液的流动形态。c)无污染性。非接触式的传递热能和机械能给材料，因此是一种无污染的加工方法。电磁搅拌驱动的实质是在流场内产生一个附加的体积力。国内外已有研究结果表明，大小及分布状态不同的力作用于液态金属时将使金属熔体产生不同的运动状态，进而影响凝固组织的形态。半固态电磁搅拌的实质是用尽可能小的能耗提供使金属熔体局部、整体温度场及浓度场宏观趋于紊流的旋转力场。应变诱发熔化激活法是指先对常规金属的铸锭进

8、行预变形，如可以进行挤压，滚压等热加工，预变形后制成的半成品坯料，其显微组织具有明显的变形拉长结构，然后将半成品坯料加热到金属的固液两相区进行等温处理，等温处理一段时间后，被拉长的晶粒将会转变成为细小的颗粒，再经快速冷却，便可获得具有非枝晶组织的半固态坯料。在等温处理的过程当中，坯料内部首先会发生再结晶，之后部分熔化，最后便可获得近球形状态的固相颗粒分布在液相中的半固态组织。其机理一般被认为是：熔化了的部分液相渗入小角度晶界，从而使固相颗粒分开，枝状晶粒破碎。其特点是，制备的锭坯材质与尺寸灵活多变，生产成本低，效率高，适合于实验室研究。三、 半固态加工技术与双金属材料的的应用前景3.1 半固态

9、加工技术的研究及应用现状由于半固态加工技术有很多的优点，在国外，SSP技术在汽车零部件的制造上已经有了多年的应用，目前，美国、意大利、日本、英国、法国等国家的半固态成形技术处于世界领先地位，并已进入了工业应用阶段7,8。在中国，半固态技术的应用目前还处在起步阶段，而现在的中国已经成为了世界汽车零部件的主要生产基地，因此，推动半固态加工技术的发展与成熟将会给中国的汽车行业带来巨大的经济效益，并对各个领域的材料的制备产生重大影响。具有非常广阔的应用前景。对于半固态技术在中国的理论研究及应用，罗守靖教授等人在2010年国际半固态会议中做了总结9：中国一些大学和研究所大约于20世纪70年代后期陆续开展

10、了关于半固态金属成形技术的研究，在这些研究院校中，哈尔滨工业大学、东南大学、北京科技大学、上海大学、清华大学、大连科技大学、南昌大学、西北工业大学及有色金属研究院等等一批研究机构，在国家“863项目”、“985项目”及在第九个五年计划和第十一个五年计划“国家自然科学基金”的支持下，学者们在基础理论研究及一些实验设备的自主研发及制造方面取得了很大的进步。近年来，北京科技大学的康永林教授采用机械搅拌法制备了SiCA356的半固态坯料，并采用半固态触变锻压的方法将所得坯料成功制成形状复杂的电子封装外壳10。除此之外，北京科技大学自主研发的TBR技术，能够制备出非常细小的有着球状晶粒的半固态坯料。，哈

11、尔滨工业大学首次提出了一种新的应变诱发熔化激活技术，该工艺是先用等倒角挤压的方法来对锭坯进行冷变形，接下来对材料进行半固态等温处理。此方法成功地获得了非常细小的半固态坯料，为半固态成形技术的发展增添了一个新的方向11。3.2 半固态加工技术与双金属复合材料3.2.1 半固态加工双金属复合材料的优点如果用半固态加工技术来成形双金属复合材料制件，用于复合的半固态材料中液体部分在压力作用下可以相互融合，不同材料的半固态浆料在固液两相区内容易达到双金属之间的充分扩散，可以提高结合强度，使复合界面形成良好的复合组织结构；而均匀分布的固相颗粒把相互融合的部分限制在表面很浅的一层，使不同的半固态材料具有相对

12、独立性。除此之外，半固态材料流动性很好，所以采用半固态加工技术可以加工形状复杂的双金属复合制件12。综合上述优点，通过半固态加工技术，把不同的半固态材料合在一起进行压力成形，可使不同材料在受到控制的状态下按性能要求分布到不同的位置，形成多金属(多材料)复合制件。此外，由于半固态状态下，材料的连接相对简单，所以，对连接条件的要求也比较低，不需要专门的设备。3.2.2 半固态加工双金属复合材料的研究现状1997年，日本东京大学首次提出一种新的半固态连接技术，该技术采用半固态铝合金作为基底，在各种形状的基底上面嵌入棒材、线材、板材、管材等固态材料形成良好的接头，可以用来制造各种形状复杂的散热片，成形

13、过程近乎净成形。东京大学所还研究了一些用半固态加工方法成形的散热产品13。2002年第七届国际半固态成型及复合材料会议上首次提出了用半固态挤压制备梯度组织材料14，并对半固态技术制备具有梯度组织的高铬铸铁耐磨，抗冲击材料进行了研究，得到了较好的效果。德国亚琛工业大学的金属成形研究所也于2002年用半固态加工技术制备了一种由不同钢铁材料连接组成的一种新的功能材料，并验证了用半固态加工技术来成形梯度复合材料的可行性15。日本学者研究了用离心铸造法加工半固态A1.A13Ni，A1.A13Fe材料，制备出了具有梯度组织的高韧性的金属金属陶瓷复合材料16。2003年，东京大学采用半固态连接技术制备了不同

14、材料连接的工艺品17。2006年，西安交通大学将铝和不锈钢在半固态状态下成功连接，其结合强度达到106.17MPa18。四、 总结半固态加工技术是一种具有良好发展前景的技术。双金属材料是把两种性能不同的材料复合在一起形成功能部位由指定材料构成的复合材料。正确地设计双金属材料制件可以得到所需要的两种材料性能的良好结合，并在最大程度上降低他们各自的使用限制。金属半固态加工技术与传统成形加工技术相比，在很多方面都有其独特的优势，如提高产品的质量、性能，降低能耗和成本以及提高产品市场竞争力等。此项技术在汽车、通信电器、机械和航空航天等领域存在着很大的潜在应用市场，这就要求研究者们从理论基础、成形加工控

15、制技术和工艺装备等方面来开展较为系统的研究工作，以促进这项技术的理论完善和技术成熟。参考文献【1】 Flemings M CBehavior of metal alloys in the semisolid stateMetallurgical Transactions B，1 99 1，22B：269293.【2】 Lakshmi HInduction reheating of A3562 aluminum alloy and thixocasting as automobile componentTransaction of Nonferrous Metals Society of Chi

16、na,2010，20：961967.【3】 刘洪伟，郭成，程羽半固态技术在材料连接和复合材料制备中的应用焊接技术，2006(1)：1720.【4】 康永林，毛卫民，胡壮麒金属材料半固态加工理论与技术北京：科学出版社2004【5】 Fan ZA novel approach to produce A1-alloy foamsMaterials Science and Engineering，2007，42：7894-7898.【6】 王玉陶，游晓红. 电磁搅拌制备半固态浆料的研究及应用现状. 山西科技.2008（1）：1-3.【7】 王翔鹏伪半固态触变成形A1A1203复合材料工艺基础研究：博士

17、学位论文哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.【8】 吴炳尧半固态金属铸造工艺的研究现状及发展前景铸造，1999，3：4552.【9】 Luo S JTheory and application research development of semi-solid forming in ChinaTransaction of Nonferrous Metals Society of China，20 1 0，20：18051814.【10】 Wang KK，Kang YL，SongP GPreparation of SiCpA3 56 electronic packaging materials

18、and its thixo-forgingTransaction of Nonferrous Metals Society of China,201 0，20：988-992.【11】 Jiang J F，Wang YApplication of equal channel angular extrusion to semisolid processing ofmagnesium alloyMaterials Characterization，2007，58：190196.【12】 Jiang J F，Wang YApplication of equal channel angular ext

19、rusion to semisolid processing ofmagnesium alloyMaterials Characterization，2007，58：190196.【13】 Manabu J Y，Kiuchi S SMashy MetalAlloy Joining a New Process for Manufacturing New ProductsAnnals of the CIRP，1 998，47：227230.【14】 Yang Z，Zhang H F，Wang A MFormation of the High Chromium White Iron Parts with Graded Structure via the SSM Compression，The 7th Conference of Semisolid Metal Process and Composi